大黑汀水利樞紐渠首電站機電設(shè)備改造

齊津安,周 濤,李秀峰,周世虎,付 靚

(水利部海委引灤工程管理局,河北 遷西 064300)

1 工程概況

大黑汀水利樞紐位于河北省唐山市遷西縣灤河干流上，距上游潘家口水庫35 km，是開發(fā)灤河跨流域引水的大型骨干工程。主要任務(wù)是承接上游來水，抬高水位，調(diào)節(jié)灤河水量，為天津市和河北省唐山市供水及向灤河下游提供農(nóng)業(yè)用水，并結(jié)合發(fā)電兼顧防洪等。樞紐主要建筑物為低寬縫混凝土重力壩，最大壩高52.8 m，壩長1 354.5 m，水庫總庫容2.37億m3，最大泄洪67 500 m3/s。樞紐主要由攔河壩、溢洪道、放水洞、泄洪底孔、渠首電站、河床電站組成。樞紐大壩自西向東布置，依次是西重力壩、渠首電站、渠首工作閘門(4扇)、河床電站、底孔工作閘門(8扇)、溢洪道工作閘門(28扇)和東重力壩[1]。渠首電站建設(shè)在引灤總干渠上。該工程于1973年10月開工建設(shè)，1979年4月下閘蓄水，1983年6月主體工程完工，投入運用。工程運行30多年，在灌溉、發(fā)電、防洪和養(yǎng)魚等方面收獲了較大效益。特別是與上游潘家口水庫(多年調(diào)節(jié)水庫，總庫容29.3億m3，最大泄洪能力為56 200 m3/s)聯(lián)合運行以來，發(fā)揮著巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。但水電站部分在樞紐運行中也存在一些問題，也影響到工程的總體效益。2013年6月上級批準(zhǔn)《大黑汀水電站增效擴容改造初步設(shè)計報告》，同意對大黑汀水利樞紐工程水電站所屬機電設(shè)備進行技術(shù)改造[1]。

2 存在問題

2.1 機 組

渠首電站原裝有4臺軸流轉(zhuǎn)漿水輪發(fā)電機組，單機額定功率為3 200 kW，為天津發(fā)電設(shè)備廠1975年產(chǎn)品，1985年投入運行以來，主要存在4個方面問題：①設(shè)計水位狀況與剛投產(chǎn)時的1985年相比，相同工況下，出力只能達到原出力的76%左右，效率明顯下降；②水輪機轉(zhuǎn)輪葉片空蝕破壞比較嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輪雖已進行多次修補，但導(dǎo)葉間隙由于磨損變大，導(dǎo)葉端面、立面、間隙大，且密封面封閉不嚴(yán)，造成導(dǎo)葉漏水嚴(yán)重；③主軸密封磨損嚴(yán)重，封閉不嚴(yán)，漏水嚴(yán)重，存在機組頂蓋上水處漏水量大，有遇負荷突變時，造成水淹水導(dǎo)軸承的現(xiàn)象；④水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)充滿液壓油，轉(zhuǎn)輪體與葉片法蘭之間的“入”型橡膠密封裝置，出現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象，影響機組安全穩(wěn)定運行，并對供水水質(zhì)產(chǎn)生污染，且增加了電站的運行維護成本。

該4臺機組均為20世紀(jì)70年代產(chǎn)品，本身設(shè)計效率低，加上運行多年，效率進一步下降，轉(zhuǎn)輪和葉片空蝕破壞比較嚴(yán)重[2]，水輪機通流部件磨損及空蝕嚴(yán)重、轉(zhuǎn)輪滲漏油，運行效率低以及出力下降，嚴(yán)重影響了電站經(jīng)濟效益的發(fā)揮。電站電氣設(shè)備大多運行超期服役，變壓器均為20世紀(jì)70年代老產(chǎn)品，是高耗能鋁芯變壓器，噪音大、油箱滲漏油，安全可靠性差，運行檢修維護工作量大，配件不易購買，無法滿足安全運行。10 kv開關(guān)柜內(nèi)斷路器大部分為少油斷路器，不具備“五防”功能，安全可靠性差，無法保證安全運行需要。

2.2 金屬結(jié)構(gòu)及起重

快速閘門啟閉機鋼絲繩銹蝕嚴(yán)重，并有斷絲現(xiàn)象，攔污柵抓梁的許多零配件損毀，致使抓梁無法正常工作；尾水閘門漏水嚴(yán)重，尾水門電動葫蘆不能可靠運行；電站橋式起重機的機械、電氣設(shè)備及元件老化嚴(yán)重，不能實現(xiàn)精準(zhǔn)操作，給設(shè)備檢修帶來一定困難。

3 改造原則

(1) 不改變原樞紐工程的水工建筑物，電站的水輪機部件改造或更換，提高水輪機效率；同時改造相關(guān)輔助設(shè)備，達到增加發(fā)電量增加工程效益的目的[3]。

(2) 在確保樞紐工程安全運行的前提下，做到改造和生產(chǎn)兩不誤。消除機電設(shè)備存在的安全隱患及存在的缺陷，保障工程機電設(shè)備安全穩(wěn)定運行，提高機組效率，增加經(jīng)濟效益。

4 改造措施

4.1 機組部分

(1) 近年來，灤河流域來水量較少，水庫水位基本保持在131.00～133.00 m運行，一般維持在132.50 m；下游水位119.00～121.00 m，水輪機運行水頭范圍為11～13 m，一般在11 m以上，所以，本次改造水輪機額定水頭由11 m提至12.5 m。

(2) 水輪機運行水頭比較穩(wěn)定，軸流定漿式水輪機葉片在某個角度下長期運行，不需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪葉片角度。所以，將2、4號水輪機改為軸流定槳式水輪機運行，在水頭變化不大，不需調(diào)節(jié)流量時運行，2臺機組選型偏向了較高水頭，則電站運行增加了渠電的水頭變化適應(yīng)性及電站的運行靈活性。

(3) 對2、4號發(fā)電機定轉(zhuǎn)子線圈進行改造，提高絕緣等級(由B級絕緣提高到F級絕緣)。對定子機座進行處理，壓指材質(zhì)改為不銹鋼，保證機座剛度。定子鐵心更換5W310硅鋼片。定子線圈絕緣由B級增加到F級，更換定子線圈，線圈端部和槽口采用適形材料和綁扎工藝，保證線圈在各種工況下不會下沉、變形，線圈連接采用表面鍍銀處理的銀銅焊，螺栓表面采用鍍銀處理。

(4) 推力瓦由巴氏合金瓦更新為彈性金屬塑料瓦(具有有效使用壽命長、瓦變形小、承載度高、檢修維護方便、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點)，對空氣冷卻器、制動器進行改造,發(fā)電機容量由3 200 kW提高至3 500 kW。

(5) 1、3號轉(zhuǎn)輪不動只進行返廠擴修，恢復(fù)原轉(zhuǎn)輪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，保證一個大修周期不漏油，對機組進行擴大性大修，消除存在缺陷，保證安全運行[4]。

圖1 檢修前轉(zhuǎn)輪密封漏油情況

圖2 檢修后轉(zhuǎn)輪密封情況

(6) 將2、4號水輪機轉(zhuǎn)輪更新成ZDJP502-LH250新型轉(zhuǎn)輪，并將機組改為定漿方式運行[1]。新型號它的額定水頭12.5 m，最大水頭18 m，最小水頭6 m，額定過流量33.5 m3/s，額定效率91% ，水輪機額定出力3 645 kW。其水頭范圍8～30 m，具有良好的效率及氣蝕性能，與原轉(zhuǎn)輪(ZZ560-LH250)進行輪轂比計算，新轉(zhuǎn)輪具有效率高，出力大，使用流量少的優(yōu)點。新轉(zhuǎn)輪和原轉(zhuǎn)輪各項數(shù)據(jù)對比，設(shè)計水頭由11 m提高至12.5 m，提高1.5 m；水輪機額定點效率由原84.4%增至91%，效率增大了6.6%；額定流量由37 m3/s減少至33.5 m3/s，減少了3.5 m3/s；水輪機額定出力由3 370 kW提高至3 645 kW。

(7) 對空氣冷卻器的更新：為增大換熱量，將冷卻器原30 kW更換為45 kW新型翼片式結(jié)構(gòu)空氣冷卻器。

(8) 采用無粉塵免維護制動器，增加機組的安全運行保證率，解決實現(xiàn)自動監(jiān)控制動加閘、制動器憋卡、制動板粉塵過多污染機組線圈等問題。制動器改造示意見圖3。

圖3 制動器改造示意 單位：mm

(9) 對導(dǎo)水機構(gòu)改造，更換24個活動導(dǎo)葉及導(dǎo)葉上中下軸套，解決導(dǎo)水葉閉合不嚴(yán)和主軸套漏水量大問題，以減少間隙射流及水壓變化引起的間隙空蝕，減少過流部件的損壞，并使機組頂蓋上水減少[2]。

(10) 提高水輪機總效率，以減少機組容積損失，提高容積效率來保證總效率的提高。水輪機效率按下式計算：

η=ηv·ηn·ηw

(1)

公式(1)中：ηv為水輪機容積效率；ηw水輪機機械效率；ηn為水力效率；η水輪機總效。增加容積效率必須減少容積損失，對于渠首電站軸流式機組而言就是盡量減少縫隙漏量損失；主軸密封處由轉(zhuǎn)輪梳齒密封向上潤滑水量，葉片與轉(zhuǎn)輪縫隙漏水，葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙漏水；這些均未做功的水力損失。

(11) 改造主軸密封以減少機組運行時由主軸向上的漏水量q1，由于有彈簧復(fù)位裝置，有效控制了上水量。水輪機主軸密封改造見圖4。改造成定槳機組后，轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪體原來的間隙由1.0 mm變?yōu)?，其漏量q2為0。因新轉(zhuǎn)輪設(shè)計加工工藝提高，轉(zhuǎn)輪葉片和轉(zhuǎn)輪室之間的間隙由原來的Δ2=2.5 mm，變成Δ2=1.2～3 mm(平均縮小1 mm)，相對容積損失ξv=ΔNv/Ni=9.81qH/9.81QH=q/Q(q指未做功的通過間隙縫隙流量損失)；軸流式機組滲漏量按下式計算：

圖4 水輪機主軸密封改造 單位：mm

q=q1+q2+q3

(2)

公式(2)中：q1為主軸密封處間隙漏量損失；q2為轉(zhuǎn)輪體和葉片之間的間隙漏量損失；q3為葉片和轉(zhuǎn)輪室之間的間隙漏量損失。渠首電站軸流式水輪機容積損失情況如圖5所示。通過多方面改造，使得機組容積效率得到了提高。

圖5 渠首電站軸流式水輪機容積損失情況

(12) 推力軸瓦由烏金瓦改為彈性金屬塑料瓦幾何形狀與原瓦保持一致，減少了摩擦阻力、使用壽命長、維護方便。

(13) 將2、4號水輪機由轉(zhuǎn)漿改為定槳式結(jié)構(gòu)，拆除原發(fā)電機上面的受油器和永磁機，為機組重新設(shè)計加工安裝集電環(huán)、頂罩和輔助軸，集電環(huán)布置在轉(zhuǎn)子上部的頂罩內(nèi)。

(14) 將2、4號機組調(diào)速器由雙調(diào)節(jié)調(diào)速器改為單調(diào)解調(diào)速器。

(15) 對1、3號機組只結(jié)合擴修，進行部分零部件更新改造處理，消除機組存在的缺陷，達到運行標(biāo)準(zhǔn)。通過對主軸密封改造減小頂蓋上水量；導(dǎo)水機構(gòu)擴修改造并更換部分零部件，滿足機組運行需要、盡量減少漏水量；轉(zhuǎn)輪室補焊氣蝕部位、轉(zhuǎn)輪返廠進行擴修以滿足原轉(zhuǎn)輪室和轉(zhuǎn)輪間的間隙需要；提高水輪機容積效率，機組各部軸承檢修，消除振動擺度過大的現(xiàn)象。

4.2 電氣設(shè)備

(1) 電站電氣設(shè)備經(jīng)過30 a運行，元件老化、可靠性差、維護困難，變壓器均為20世紀(jì)70年代高能耗鋁芯變壓器，油箱滲漏油，安全可靠性差，運行維護量大。10 kV開關(guān)柜內(nèi)斷路器大部分為少油斷路器，已無法滿足目前設(shè)備無油化要求，且不具備“五防”功能。

(2) 更新10、6.3 kV開關(guān)柜為真空開關(guān)柜，并具有五防功能(由原來SN10-10少油斷路器更新為KYN28-12鎧裝移動開關(guān)柜，柜內(nèi)配3AH-12真空斷路器)。

(3) 1、2、3號主變壓器更新，5、6、7號廠用變及控制電纜等更新，對3臺主變壓器由原來鋁芯SFL更換成S11型三相油浸式銅繞組低損耗節(jié)能型變壓器，并更換所有控制電纜，更新開關(guān)站內(nèi)所有隔離開關(guān)，同時更新控制、保護、勵磁等相關(guān)設(shè)備滿足發(fā)電運行需要。

4.3 金屬結(jié)構(gòu)部分改造

電站廠房安裝一臺50/10t雙梁橋式起重機，專用機組檢修吊裝設(shè)備之用。運行30 a來，機械、電氣設(shè)備產(chǎn)品陳舊，機械部件、電氣元件、線路電纜等老化嚴(yán)重，無負荷限制器及高度指示器。在多年的運行實踐中發(fā)現(xiàn)，大、小車運行及主、副鉤運行的速度過快，無法精準(zhǔn)制動定位，用于吊裝機組轉(zhuǎn)子等大型設(shè)備、重要零部件時，經(jīng)常發(fā)生吊裝不到位或錯過最佳位置等現(xiàn)象，容易發(fā)生吊裝的設(shè)備及安裝人員損傷事故。因此，對渠首電站8扇尾水閘門進行了全部防腐和水封更換、檢修，對渠首電站的快速門啟閉機現(xiàn)地控制單元、配電箱、進行改造、檢修，增加負荷限制器、高度指示器，對渠首電站攔污柵抓梁進行更新改造，對電站尾水閘門10 t電動葫蘆予以更新，抓梁更新改造如圖6所示。

圖6 抓梁更新前后改造

4.4 不足之處

由于油氣水管路、閥門、電壓電流互感器、傳感器，壓力及計量表計等部分設(shè)備設(shè)施沒有一起改造，有待以后逐步改造完善。

5 結(jié) 語

整個樞紐工程渠首電站機電改造自2014年開始至2015年完工，2017年竣工，改造后取得了明顯效果，消除了設(shè)備設(shè)施多年存在的缺陷和安全隱患，安全可靠性得到了提高，解決了因轉(zhuǎn)輪滲漏油造成的水質(zhì)污染問題，保護下游生態(tài)環(huán)境，使天津、唐山供水質(zhì)量得到提高，渠首電站總裝機容量由原來12 800 kW增至13 400 kW，發(fā)電效率提高，發(fā)電容量增加經(jīng)濟效益明顯提高[5]。